DE3405534C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem optischen Empfänger mit einer in Sperrichtung vorgespannten Fotodiode, deren eine Elektrode über einen Koppelkondensator mit einer Eingangsklemme eines Transimpedanzver­ stärkers verbunden ist, mit einer Widerstands­ schaltung, die in Serie zur Fotodiode geschaltet und deren Widerstandswert vom Fotostrom abhängig ist.

Ein derartiger optischer Empfänger ist in der DE-OS 32 18 439 beschrieben. Bei optischen Empfän­ gern, die über Glasfaser übertragene Lichtsignale in elektrische Signale umsetzen sollen, besteht grundsätzlich die Gefahr der Übersteuerung der im Empfänger vorgesehenen elektrischen Verstärker. Denn derartige Empfänger sollen eine hohe Empfind­ lichkeit haben, d. h., geringe Lichtleistung in genügend hohe elektrische Leistung umsetzen. Wird nun der Empfänger entsprechend dieser Forderung dimensioniert, so ist unmittelbar einsichtig, daß ein Ansteigen der optischen Leistung zur Über­ steuerung der Verstärker und damit zu Verzerrungen im elektrischen Signal führt, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, die Übersteuerung weitgehend zu verhindern und damit den Dynamikbe­ reich des optischen Empfängers zu vergrößern. Op­ tische Empfänger mit großem Dynamikbereich und ho­ her Empfindlichkeit sind deshalb vorteilhaft, weil sie an jeder Stelle eines Glasfasernetzes ohne Zu­ satzmaßnahmen eingesetzt werden können, unabhängig davon, ob das empfangene Lichtsignal auf dem Über­ tragungsweg oder nur sehr schwach gedämpft worden ist.

Um den Dynamikbereich zu vergrößern, ist gemäß DE-OS 32 18 439 vorgesehen, eine Widerstandsschal­ tung in Serie zur Fotodiode des optischen Empfän­ gers zu schalten. Diese Widerstandsschaltung wird vom Fotostrom der Fotodiode durchflossen und än­ dert ihren Widerstandswert in Abhängigkeit vom Fo­ tostrom. Als Widerstandsschaltungen sind im ein­ fachsten Fall Dioden vorgesehen, deren dynamischer Widerstandswert fällt, wenn der mittlere Fotostrom ansteigt. Durch die Herabsetzung des Widerstandes wird der Teil des Fotostromes, der in den angekop­ pelten Transimpedanzverstärker fließt, mit stei­ gendem Gesamtfotostrom verringert und somit der Dynamikbereich des optischen Empfängers vergrö­ ßert.

Allerdings hat die Verwendung von Dioden als ver­ änderbare Widerstände den Nachteil, daß durch sie das elektrische Signal verzerrt wird. Diese Ver­ zerrungen müßten in einer nachfolgenden Einheit wieder beseitigt werden. Bei Verwendung von PIN- Dioden als veränderbare Widerstände treten Verzer­ rungen nur im Frequenzbereich bis zu 5 MHz auf, so daß Lichtsignale mit wesentlichen spektralen Lei­ stungsanteilen unter 5 MHz mit ihnen nicht verzer­ rungsfrei umgesetzt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Empfänger der eingangs genannten Art an­ zugeben, dessen Dynamikbereich möglichst groß ist und bei dem Widerstandsschaltungen verwendet wer­ den, die für Frequenzen unterhalb 5 MHz nicht zu Verzerrungen im elektrischen Signal führen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Wider­ standsschaltung aus einer Parallelschaltung eines ersten Widerstandes und der Kollektor-Emitter- Strecke eines ersten Transistors mit konstantem Basispotential besteht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Figur soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.

Die Figur zeigt als opto-elektrischen Wandler des erfindungsgemäßen Empfängers eine Fotodiode 8. Durch die Diode 8, die als Stromquelle anzusehen ist, wird das über eine nicht eingezeichnete Glas­ faser ankommende Lichtsignal in einen Fotostrom umgesetzt. Für die weitere Betrachtung ist es zweckmäßig, den gesamten Fotostrom in zwei Anteile zu zerlegen, nämlich in einen zeitunabhängigen Mittel I o und in einen (zeitabhängigen) Wech­ selanteil I 1. Bei geringer Lichtleistung ist so­ wohl Io als auch I 1 klein.

Der Gleichanteil Io fließt in diesem Fall vom Pluspol + der Versorgungsbatterie über einen er­ sten, in Serie zur Fotodiode liegenden Widerstand 3 über die Fotodiode 8 und über einen ebenfalls in Serie zur Fotodiode liegenden Widerstand 13 nach Masse. Der Wechselanteil I 1 fließt im Kreis, der aus einem Kondensator 13, der Fotodiode 8, einem Koppelkondensator 9 und dem Eingangswiderstand ei­ nes Transimpedanzverstärkers 10 besteht. Über den Widerstand 3 und einen ersten Kondensator 1 fließt praktisch nichts vom Wechselanteil I 1 des Foto­ stromes, weil der Wechselstromwiderstand entlang dieses Weges groß ist, verglichen mit dem Wider­ stand entlang des Weges, der vom Koppelpunkt P über den Koppelkondensator 9 und den Eingangswi­ derstand des Transimpedanzverstärkers 10 nach Mas­ se führt.

Bei kleiner Lichtleistung wird der Spannungshub am Koppelpunkt P und damit der Spannungshub am Ein­ gang des Transimpedanzverstärkers 10 praktisch al­ lein durch seinen dynamischen Eingangswiderstand und dem gesamten Wechselanteil I 1 des Fotostromes bestimmt. Aus dem dynamischen Eingangswiderstand und dem maximal zulässigen Spannungshub am Eingang des Transimpedanzverstärkers 10 läßt sich bestim­ men, wie groß der Wechselanteil I 1 des Fotostromes höchstens werden darf, ohne daß der Transimpedanz­ verstärker 10 übersteuert wird.

Da der gesamte Fotostrom immer nur in einer Rich­ tung fließt, muß der Gleichanteil Io mindestens so groß sein, wie die Amplitude des Wechselanteiles I 1. Steigt also der Wechselanteil I 1, so muß auch der Gleichanteil Io steigen. Daher wird erfin­ dungsgemäß der in den Transimpedanzverstärker 10 fließende Teil des Wechselanteiles I 1 in Abhängig­ keit vom Gleichanteil Io geregelt. Die Regelung erfolgt prinzipiell derart, daß zur Serienschal­ tung des Koppelkondensators 9 und des Eingangswi­ derstandes des Transimpedanzverstärkers 10 ein Wechselstromwiderstand gleicher Größenordnung pa­ rallel geschaltet wird, wenn der Gleichanteil Io eine von den Daten des Transimpedanzverstärkers 10 abhängige Schwelle überschreitet.

Dieser parallel geschaltete Wechselstromwiderstand besteht aus der Serienschaltung der Kollektor- Emitter-Strecke eines ersten Transistors 5 und des Kondensators 1. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 5 wird leitend, wenn der Spannungsab­ fall über dem Widerstand 3 dazu führt, daß das Po­ tential am Koppelpunkt P etwa um 0,7 Volt unter das konstante Basispotential des Transistors 5 fällt. Das konstante Basispotential wird mit einem Spannungsteiler 2, 6 eingestellt, der zwischen dem Kollektor des Transistors 5 und einem Punkt mit Bezugspotential liegt. Der Abgriff des Spannungs­ teilers 2, 6 ist wechselstrommäßig durch eine Ka­ pazität 4 auf Bezugspotential gelegt.

Im durchgeschalteten Zustand des Transistors 5 fließen über seine Kollektor-Emitter-Strecke so­ wohl Teile des Gleichstromes Io als auch Teile des Wechselstromes I 1. Weil der Widerstandswert des Wi­ derstandes 3 erheblich größer ist als der Gleich­ stromwiderstand der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 5 kann bei großer empfangener Lichtlei­ stung davon ausgegangen werden, daß praktisch der gesamte Gleichanteil Io über die Kollektor-Emit­ ter-Strecke des Transistors 5 fließt und damit de­ ren Wechselstromwiderstand bestimmt. Ist in diesem Fall der dynamische Widerstand der Kollektor-Emit­ ter-Strecke des Transistors 5 so klein geworden, daß über sie praktische auch der gesamte Wechselan­ teil I 1 fließt, so ist mit dem Transistor 5 alleine keine weitere Absenkung des Spannungshubes möglich. Eine Abschätzung, wie weit der Spannungshub mit dem Transistor 5 alleine begrenzt werden kann, ergibt unter Anwendung der Kleinsignaltheorie einen Wert von etwa 60 mV.

Einer weiteren Absenkung des Spannungshubes am Punk­ te P dient der zweite Transistor 7, von dem bisher unterstellt wurde, er befinde sich im gesperrten Zustand. Sein Kollektor ist mit dem Emitter des er­ sten Transistors 5 verbunden, seine Basis ist an die Anode der Fotodiode 8 geführt und über eine Pa­ rallelschaltung eines dritten Widerstandes 12 und einer Kapazität 13 auf Bezugspotential gelegt; sein Emitter ist über einen Widerstand 11 auf Bezugspo­ tential gelegt. Der Widerstand 12 ist wegen des Kondensators 13 nur vom Gleichanteil Io des Foto­ stromes durchflossen. Überschreitet der Gleichan­ teil Io einen durch den Widerstandswert des Wider­ standes 13 bestimmte Schwelle, so erhöht der dann fließende Kollektorstrom des Transistors 7 den Gleichstrom durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 5. Dieser zusätzliche Gleichstrom führt zu einer weiteren Absenkung des dynamischen Wider­ standes der Kollektor-Emitter-Strecke des Transi­ stors 5 und damit zu einer weiteren Begrenzung des Spannungshubes am Koppelpunkt P.

Durch Bemessung der Widerstände 2, 3, 6, 11 und 12 ist es möglich, bei allen auftretenden optischen Eingangsleistungen, sogar bei Einkopplung der vol­ len Laser-Sendeleistung, den am Koppelpunkt P auf­ tretenden Spannungshub kleiner als 60 mV zu halten.

Die Dioden 14 und 15 begrenzen den Spannungsabfall am Widerstand 12 auf etwa 1,4 V. Durch diese Maß­ nahme wird verhindert, daß die Sperrspannung der Fotodiode 8 bei ansteigendem Fotostrom unter einen Minimalwert fällt.

Claims (5)

1. Optischer Empfänger mit einer in Sperrichtung vorge­ spannten Fotodiode (8), deren eine Elektrode über einen Koppelkondensator (9) mit einer Eingangsklemme eines Transimpedanzverstärkers (10) verbunden ist, und mit einer Widerstandsschaltung (16), die in Serie zur Fotodiode (8) geschaltet und deren Widerstandswert vom Fotostrom abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschaltung (16) aus einer Parallel­ schaltung eines ersten Widerstandes (3) und der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors (5) mit konstantem Basispotential besteht.

2. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zweiter Transistor (7) vorgesehen ist, dessen Kollektor mit dem Emitter des ersten Transistors (5) verbunden ist, dessen Emitter über einen zweiten Widerstand (11) auf Massepotential gelegt ist und dessen Basispotential dem Gleichstromanteil des Fotostromes proportional ist.

3. Optischer Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Emitter des ersten Transistors (5) mit der Kathode der Fotodiode (8) verbunden ist, daß Kollektor und Basis des ersten Transistors (5) jeweils über eine Kapazität (1, 4) auf Massepotential gelegt sind und daß mit einem Spannungsteiler (2, 6), der zwischen dem Kollektor des ersten Transistors (5) und Massepoten­ tial liegt, das konstante Potential der Basis des ersten Transistors (5) erzeugt wird.

4. Optischer Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Basis des zweiten Transistors (7) mit der Anode der Fotodiode (8) verbunden ist und gleich­ zeitig über die Parallelschaltung eines dritten Wider­ standes (12) und einer weiteren Kapazität (13) auf Masse­ potential gelegt ist.

5. Optischer Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spannungsabfall am dritten Widerstand (13) durch eine oder mehrere Dioden (14, 15) begrenzt wird.